基于權重的虛擬機帶寬資源分配技術

程容斌

摘要：校園數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)的傳輸、計算和存儲的中心，集中了各種軟硬件資源和關鍵業(yè)務系統(tǒng)。網(wǎng)絡虛擬化條件下的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的網(wǎng)絡帶寬資源被所有用戶的虛擬機所共享，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡帶寬資源如何在多個用戶的虛擬機之間合理按需分配，如何保障各個用戶虛擬機的網(wǎng)絡性能獨立成為一個急需解決的課題，是數(shù)據(jù)中心資源實現(xiàn)真正按需分配的關鍵。

關鍵詞：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡；虛擬機；帶寬分配

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）03-0020-02

1 校園數(shù)據(jù)中心虛擬化

校園數(shù)據(jù)中心[1]是數(shù)據(jù)的傳輸、計算和存儲的中心，集中了各種軟硬件資源和關鍵業(yè)務系統(tǒng)。為了提高資源利用率和減少運營成本，數(shù)據(jù)中心服務器和網(wǎng)絡設備的虛擬化技術[2]正成為研究熱點。網(wǎng)絡虛擬化條件下的校園數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的網(wǎng)絡帶寬資源被所有虛擬機所共享，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡帶寬資源如何在多個用戶的虛擬機之間合理按需分配，如何保障各個用戶虛擬機的網(wǎng)絡性能獨立成為一個急需解決的課題，是數(shù)據(jù)中心資源實現(xiàn)真正按需分配的關鍵。Secondnet[3]采用一種per source-destination pair （per S-D pair）分配模型。像Seawall[4]，通過使用這種基于通信源的帶寬分配模型，迫切需要研究一種公平合理的數(shù)據(jù)中心虛擬機帶寬控制機制。

2 虛擬校園數(shù)據(jù)中心內(nèi)網(wǎng)絡帶寬分配的性能要求分析

網(wǎng)絡虛擬化條件下的校園數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的網(wǎng)絡帶寬資源被所有虛擬機所共享，帶寬分配必須要滿足如下兩個性能要求：第一個性能要求是網(wǎng)絡權重忠實度，網(wǎng)絡權重的忠實程度上三個遞增的層次要求：單調(diào)性，嚴格的單調(diào)性和按比例分配。按比例分配提供了對權重的最高的忠實性，我們通過下面這個例子來說明按比例分配：

如圖1，假設我們給圖中的每個虛擬機一個相等的網(wǎng)絡權重。在這種情況下，如果所有的通信帶寬要求都得到滿足，則A-D和B-D總帶寬將得到整條連接帶寬總量的3/5，而C-E的帶寬將得到總帶寬的2/5，而這種分配和每一組通信的虛擬機的網(wǎng)絡權重是成比例的。

圖1 虛擬機帶寬分配跟權重成比例示意圖

第二個性能要求就是帶寬保證，它保證數(shù)據(jù)中心部署的每個用戶的網(wǎng)絡性能和應用性能的可預測性。每個虛擬機被給予一個最小的帶寬保證值，不需要理會其他虛擬機的帶寬需求和分配是多少。

問題的關鍵在于，上述兩個性能需求（權重忠實度和帶寬保證）是兩個相互沖突的性能需求，展示了在虛擬機之間共享數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的一個關鍵的平衡性。明確地說，就是權重忠實度越高，帶寬保證越小。我們舉個例子來說明這個平衡性。

如圖2所示，虛擬機A和虛擬機B分布在同一個物理服務器上，A和另外兩個虛擬機C，D通信，B只和E通信，我們假設每個虛擬機的權重一樣，則A在服務器的出口鏈路上的帶寬分配是3/5，B是2/5，因為這條鏈路上總的虛擬機個數(shù)是5。

圖2 虛擬機帶寬分配示意圖

很容易發(fā)現(xiàn)，如果A和更多的虛擬機通信，那么B的帶寬分配數(shù)量還要更少。一個嚴格的單調(diào)性分配相比按比例分配能給B提供更大的帶寬分配，但是當A通信遠端的權重值增加的情況下，B的帶寬分配還是會減少。但是在一個只滿足單調(diào)性的分配模型當中，B就會分配一個相當大的帶寬保證值，而不需要理會A的通信方式。在一個完全均分帶寬的網(wǎng)絡中，B的帶寬保證值將是鏈路帶寬的一半。

所以，權重忠實度和帶寬保證這兩個性能要求是相互沖突的，要想有很嚴格的帶寬保證就只能獲得較低的權重忠實度，或者有很高的權重忠實度，但只能提供很小的帶寬保證。需要一種機制在這二者之間取得一個基本的平衡。

3 基于虛擬機網(wǎng)絡權重的網(wǎng)絡帶寬資源分配

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡資源共享方式，不管是基于流的共享，還是通信源和通信端結合（source-destination pairs）或者是只考慮通信源的方式都不能同時滿足前面提出的這兩個要求。本文提出一種新的數(shù)據(jù)中心虛擬機帶寬控制機制，嚴格滿足上述兩個要求，然后對這種機制做出原型系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。我們采用以用戶的付費作為虛擬機（VM）的網(wǎng)絡權重的參數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡權重給每個用戶的虛擬機分配相應的帶寬資源。我們提出一種Per Endpoint Sharing （PES）機制，靈活的共享數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡，允許數(shù)據(jù)中心管理者明確地指出在權重忠實度和帶寬保證之間的平衡點。給每一對通信的虛擬機分配一個權重，這個權重值由通信兩端的虛擬機共同決定。WS?D = f （WS ，WD）， WS 是通信源的權重，WD 是通信端得權重。為了滿足對稱性要求，在兩個方向的權重分配值要相同，也就是 WA?B = WB?A 。

Per Endpoint Sharing （PES） 采用給一條連接L上的通信的兩個虛擬機A和B 一個權重，WA?B = WA/ NA + WB/ NB 這里NA 是L這條連接上虛擬機A跟其他虛擬機通信的數(shù)量，NB 是L這條連接上虛擬機B通信的虛擬機數(shù)量。這個權重可以通過相比鏈路上通信的虛擬機的總權重WT 的方式來實現(xiàn)帶寬分配。

需要指出的是理論上，PES提供的帶寬保證非常小，最壞的情況下，一個虛擬機將要和所有這條連接上的虛擬機公平的分配網(wǎng)絡帶寬。然而，如果擁塞發(fā)生在網(wǎng)絡的中心（這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生），路由能夠在所有路徑上平衡通信，這樣，一個虛擬機實際上公平的均分了網(wǎng)絡帶寬。為了提供更壞情況的帶寬保證，我們給予一些虛擬機相比其他的虛擬機更高的重要性，根據(jù)虛擬機的重要性決定。舉個例子，在服務器的一條連接上，相比遠離服務器的虛擬機我們更樂意把帶寬分配給近距離的虛擬機。

所以我們推廣PES成WA?B = WB?A = α×WA / NA +β× WB /NB， 系數(shù)α 和β使得連接兩端虛擬機的權重不一樣，α應用于L鏈路上一端的所有虛擬機，而β應用于另外一端。這樣通過使用不同的α和β值，我們可以使得一端虛擬機的權重按比例增減而完全不理會另外一端的虛擬機。

通過給網(wǎng)絡上不同的鏈路設定不同的α和β值，我們就可以使用通用的PES機制獲得不同的平衡點。如提供高的帶寬保證但是低的權重忠實度，或者高的權重忠實度但是低的帶寬保證。這個算法類似于權重增加，倍數(shù)減少（AIMD）。算法原理如下：當反饋消息指示有丟包，就降低允許的速率乘以一個α， 否則速率就一直根據(jù)權重增加。

圖3 帶寬分配算法

我們對基本帶寬分配算法加以改進，采用一種獨特的技術能聯(lián)合所有來之不同通信目的端的反饋消息。通過這種方式，一個虛擬機的帶寬分配基于他的網(wǎng)絡權重，而于他通信信道的數(shù)目無關。這種分配策略跟當前數(shù)據(jù)中心的其他資源如計算和存儲資源的分配策略一致。

每個虛擬機都有一個帶寬分配者，把虛擬機的網(wǎng)絡權重和每條信道上反饋信息所允許的速率作為輸入。這個反饋信息包括所有這個虛擬機作為發(fā)送端正在通信的所有接收端發(fā)回的擁塞反饋消息。帶寬分配者有兩部分組成，第一部分是一個分布式的擁塞控制環(huán)，通過它計算這個虛擬機在這條線路上累積的帶寬共享，第二部分是一個本地調(diào)度，把虛擬機分到的網(wǎng)絡帶寬再分給正在通信的所有信道。

第一步： 使用分布式控制環(huán)，來決定每條線路，每個虛擬機的帶寬分配。

理想的反饋消息應該是基于每條線路的，它應該包括這個虛擬機在這條線路上所有通信信道的累積使用情況。這樣的反饋信息是可以實現(xiàn)的，如果交換機上執(zhí)行準確的反饋消息，如使用（XCP，QCN）或者通過可編程交換機取樣 （Side Car [5]）。缺乏這些，系統(tǒng)的基礎主要是依賴現(xiàn)有的端到端丟包率擁塞信號。這些信號指出擁塞的路徑，而不是擁塞的線路。

為了使用路徑級別的擁塞控制信號去達到線路級別的擁塞信息，我們使用一種啟發(fā)式的方式基于觀察，一條擁塞線路導致使用這條線路的多條信道都有丟包。這個邏輯在算法中有描述。啟發(fā)式的方法擴大了上一個時間段內(nèi)一個特定接收端虛擬機反饋消息對于給這個虛擬機發(fā)送信息的帶寬分配比例的影響。

第二步：把每條線路上每個虛擬機的帶寬分配轉化為每條線路上每條信道路徑上的帶寬分配。系統(tǒng)運行一個本地分配通過分布式的計算，把每條線路上每個虛擬機的帶寬分配給每條信道分配帶寬。

4 小結

本文研究出一種新穎的帶寬權重賦予機制（PES權重賦予機制，）和一種基于網(wǎng)絡權重的帶寬分配算法。通過和現(xiàn)有機制在所提性能評價指標上的對比，分析我們所提出機制的性能優(yōu)越性。

參考文獻：

[1] Katz R H， Tech Titans Building Boom [C]. IEEE SPECTRUM， Feb 2009.

[2] Roscnblum M，Garl'mkel T.Virtual Machine Monitors：Current technology and future Trends[J].Computer， 2005，38（5）：39-47.

[3] Guo C， Lu G， Wang H J， et al. Secondnet： a data center network virtualization architecture with bandwidth guarantees[C]. In Proceedings of the 6th International Conference， Co-NEXT 10， pages 15：1–15：12， New York， NY， USA， ACM，2010.

[4] Shieh A， Kandula S， Greenberg A， et al. Sharing the data center network. In Proceedings of the 8th USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation （NSDI） [C]. USENIX， March-April，2011.

[5] Shieh A， Kandula S， Sirer E. SideCar： Building Programmable Datacenter Networks without Programmable Switches[C]. In HotNets， 2010.